Nasce nel Queens come Adrienne Levine, da Sheldon M. Levine e Elaine Langbaum, di origini russo-ebraiche, ma cresce con i fratelli Jeff e Mark nel quartiere di Long Island, sempre a New York.
Inizia la carriera a dieci anni, grazie alla scuola che frequentava a Jericho, la Jericho High School, per cui interpreta, durante un campo estivo, il musical Annie. Si iscrive alla Boston University e si diploma in "Film Production", ma abbandona gli studi un anno dopo per spostarsi a Manhattan.
È una donna indipendente adatta a ruoli forti in film indipendenti. Esordisce nel cinema con Hal Hartley, uno degli alfieri del nuovo cinema minimalista-indipendente americano, quello nato sotto l'egida dei successi di Jim Jarmusch. È la protagonista de L'incredibile verità(1989) e di Trust - Fidati(1990), quest'ultimo nominato per il Gran Premio della Giuria al Sundance Film Festival.
Parallelamente alla sua carriera come attrice, prolifica lungo il corso di tutti gli anni Novanta, nel 1994 dirige il suo primo cortometraggio (Urban Legend) e inizia la carriera da sceneggiatrice e regista, sempre indipendente. Nel 2000 per I'll Take You There, realizzato l'anno precedente, vince l'US Comedy Arts Festival Film Discovery Jury Award per la miglior regia e il premio della città di Setùbal, in Portogallo.
Per la televisione, recita in Law & Order, OZ, Homicide: Life on the Street. Un titolo profetico, quest'ultimo. Alle 17.45 del primo novembre 2006, suo marito - Andrew Ostroy, boss della firma di marketing Belardi/Ostroy - trova la moglie penzolante nella vasca da bagno, impiccata con un lenzuolo al tubo della doccia, nel loro appartamento-ufficio di Abingdon Square, nella parte ovest del Greenwich Village di Manhattan.
La morte per suicidio è la prima ipotesi della polizia; a seguito dell'autospia e delle indagini, il New York City Police Department rinviene orme di scarpe da tennis non appartenenti a quelle di Shelly, che peraltro indossava solo calzini al momento della morte.
La stampa riporta la notizia dell'arresto di Diego Pillco, un operaio edile e immigrato clandestino arrestato cinque giorni dopo, il 6 novembre 2006. Pillo avrebbe confessato l'omicidio della donna, per le sue insistenti lamentele a proposito del rumore che lui avrebbe prodotto nell'appartamento sotto al suo. Pillco avrebbe detto di aver avuto "una brutta giornata".
A seguito della morte, il marito ha creato la Adrienne Shelly Foundation, una organizzazione no-profit per elargire borse di studio e premi alle registe donne. Il suo omicidio ha poi ispirato un episodio ("Melting Pot") della diciassettesima stagione della serie televisivaLaw & Order, prodotta dalla NBC.
Adrienne Shelly è morta prima di venire a conoscenza del premio che la sua ultima fatica da regista e interprete, Waitress - Ricette d'amore, era stato accettato al Sundance Film Festival 2007.